張立棟 李偉偉 匡青峰 于婷俐 周 陽 賴福生

(1．東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院；2. 華能巢湖發(fā)電有限責(zé)任公司；3. 國電雙鴨山發(fā)電有限公司)

300MW鍋爐二次風(fēng)噴嘴的低成本優(yōu)化*

張立棟1李偉偉2匡青峰2于婷俐3周 陽3賴福生2

(1．東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院；2. 華能巢湖發(fā)電有限責(zé)任公司；3. 國電雙鴨山發(fā)電有限公司)

二次風(fēng)射流對鍋爐內(nèi)空氣動力場的構(gòu)成起重要作用，對二次風(fēng)噴嘴進行改造，在噴嘴內(nèi)添加不同形狀的導(dǎo)葉，并進行不同工況下的對比，得知圓弧形導(dǎo)葉效果最佳，同時進行爐內(nèi)切圓對比，可知采用圓弧形導(dǎo)葉對噴嘴出口速度進行優(yōu)化，能夠提高噴嘴射流剛度、明顯改善爐內(nèi)空氣動力場、優(yōu)化鍋爐的運行狀態(tài)。

鍋爐 噴嘴 導(dǎo)葉 動壓 爐內(nèi)切圓

切圓鍋爐燃燒狀態(tài)較為穩(wěn)定，但依然存在諸多不足，其原因多與爐內(nèi)空氣動力場不理想有關(guān)，入爐的一次風(fēng)速度較低，作用是輸送燃料，而二次風(fēng)因速度較高、風(fēng)量較大，主要起構(gòu)建爐內(nèi)空氣動力場的作用，但由于射流不理想，易造成實際切圓直徑過大，帶來射流偏斜、偏燒及沖刷水冷壁等問題。隨著電站鍋爐燃燒技術(shù)的不斷發(fā)展，對于電站系統(tǒng)鍋爐設(shè)備的技術(shù)改造也偏向此方向，如郭強等通過模擬燃燒器熱態(tài)設(shè)計工況，進行實驗對比，得出將四角切圓改成四墻切圓以改善爐內(nèi)燃燒的情況[1]。陳世和等在研究不同因素對飛灰含碳量的影響時，通過改進CFD計算模型得出二次風(fēng)切圓直徑與飛灰含碳量成正比關(guān)系[2]。Sha L等在研究1 000MW鍋爐非圓型空氣動力場流動時，提出增加二次風(fēng)射流速度能有效改善爐內(nèi)空氣動力場[3]；蔣曉峰在分析1 000MW鍋爐燃燒方式時，對比雙切圓和單切圓的效果，得出采用兩套燃燒器的雙切圓方式能防止結(jié)渣、減少NOx的生成[4]。Qin M等在對比不同切圓方式對爐內(nèi)空氣動力特性影響時，認為同樣的噴嘴射流，墻式切圓(FWT)要好于四角切圓(FCT)[5]。因為射流剛性得到提升，趙盼龍等在研究電站鍋爐屏底結(jié)渣的影響因素時發(fā)現(xiàn)將部分燃燒器改裝為反向切圓或?qū)_能有效減弱屏底結(jié)渣問題[6]，通常此類改造工程需改動鍋爐水冷壁、更換整套燃燒器，并重新選擇適當(dāng)位置安裝，雖然能達到較好的改造目的，但成本較高。

二次風(fēng)噴嘴作為二次風(fēng)進入爐膛的最終設(shè)備，是構(gòu)成爐內(nèi)空氣動力場的重要部分，對二次風(fēng)射流剛度影響較大。為此，筆者提出一種低成本的改造方案，對二次風(fēng)噴嘴出口參數(shù)進行優(yōu)化，并通過計算流體動力學(xué)軟件進行模擬，取得較好的效果，可為此類改造和設(shè)計提供參考。

1 物理模型數(shù)值方案

1.1物理模型及網(wǎng)格劃分

筆者以某300MW鍋爐設(shè)備二次風(fēng)噴嘴為研究對象。該噴嘴高為0.81m，入口截面為長0.7m的正方形，噴嘴入口段長0.3m，噴嘴進、出口之間的軸線距離0.5m，出口截面為長0.7m、寬0.3m的矩形截面，噴嘴段收縮比2.33。導(dǎo)葉布置在入口段，離兩側(cè)收縮的壁面底部各0.15m處。采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進行分區(qū)劃分(圖1)，收縮部分加密，選取不同網(wǎng)格數(shù)(30萬、34萬、45萬、50萬)，考慮計算效率網(wǎng)格精度不宜過高[7]，最終選取網(wǎng)格數(shù)45萬。

圖1 噴嘴網(wǎng)格劃分

1.2方案設(shè)置

在漸縮段開始添加導(dǎo)葉，使工質(zhì)在中間部分更加集中，提高出口參數(shù)的中間部分，但不同形狀的導(dǎo)葉對相關(guān)參數(shù)影響的程度不同，在相同位置布置不同形狀的導(dǎo)葉，進行同一工況下不同方案的對比。采用不添加導(dǎo)葉(方案一)和添加4種不同形狀(直線型、三次曲線、拋物線形、圓弧形)的導(dǎo)葉(方案二～方案五)，在不同入口速度(9、12、15、18、21、24、27、30 m/s)下進行模擬。

2 計算結(jié)果與分析

2.1不同入口速度下噴嘴出口參數(shù)

通常影響噴嘴射流剛性的因素有噴嘴出口高寬比、周界或側(cè)向高流速伴隨流、射流速度、收縮比及收縮曲線形狀等。切圓鍋爐運行時的負荷多根據(jù)電網(wǎng)指令不斷變化，爐內(nèi)燃燒情況也不斷改變，因此，需根據(jù)各層燃燒器的投入情況調(diào)整爐內(nèi)氧量和燃料量以應(yīng)對負荷變化，在負荷不斷變化的過程中，需不斷調(diào)整二次風(fēng)噴嘴的角度和擋板開度，以調(diào)整進入噴嘴的二次風(fēng)速度。根據(jù)實際運行下8種不同入口速度、5種方案計算噴嘴出口靜壓和平均速度，并列于表1。由表1中數(shù)據(jù)可知，各工況的速度差異較小，同一入口速度下，未添加導(dǎo)葉的噴嘴(方案一)在入口速度變化時，靜壓變化較敏感。8種入口速度下，各方案的出口平均速度差異較小，以入口速度為15m/s為例，各方案出口平均速度差異在0.36%以內(nèi)，導(dǎo)葉形狀對噴嘴出口平均速度影響小，入口速度變化時，不同方案的出口速度差別同樣較小。鍋爐負荷變化時，擋板開度、入口速度發(fā)生改變，導(dǎo)葉形狀對噴嘴的加速性能影響較小，即導(dǎo)葉對噴嘴內(nèi)的工質(zhì)質(zhì)量流速產(chǎn)生的影響可以忽略。

表1 噴嘴出口處的靜壓和平均速度

圖2為噴嘴不同出口速度與平均靜壓的關(guān)系，從圖中可以看出，不同工況下，方案一的平均靜壓均為最高，工質(zhì)在流動過程中，過流面積的變化會帶來一定的壓力損耗[8]，即添加導(dǎo)葉造成了流動阻力；而添加導(dǎo)葉的方案中，圓弧導(dǎo)葉(方案五)靜壓在各工況下都大于其他方案，其結(jié)構(gòu)因素造成的壓力損耗較小。

圖2 噴嘴不同出口速度與平均靜壓的關(guān)系

2.2出口動壓分布

在漸縮噴嘴內(nèi)部，工質(zhì)沿軸線流動，在垂直于軸線平面上，工質(zhì)隨噴嘴壁面的收縮壓力的降低流速不斷加快，但在噴嘴內(nèi)部垂直于射流方向的平面內(nèi)，不同位置的速度變化率不同。工質(zhì)在漸縮噴嘴內(nèi)流動時，相對于噴嘴的軸線處，壁面附近的速度通常較大，但靠近壁面的流動邊界層速度較低，通常與中心軸線部分速度相近，導(dǎo)致兩側(cè)收縮的噴嘴在出口截面的速度分布呈現(xiàn)M形。圖3為入口速度為9m/s時，出口截面中間線速度分布。

圖3 入口速度9m/s時出口截面中間線速度分布

動壓是指流體在流動過程中受阻時，由于動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ芏鸬某^流體靜壓力部分的壓力，動壓與速度的關(guān)系為：

式中p——動壓，Pa；

v——法向速度，m/s；

ρ——工質(zhì)密度(空氣密度1.29kg/m3)。

在入口速度15m/s時，不同方案的出口動壓如圖4所示?？梢钥闯?，方案一動壓均勻，從717～795Pa的部分占79.88%；方案二動壓分布出現(xiàn)明顯的峰谷，但整個出口截面上波動范圍較小，從658～768Pa的部分約占53.62%，在768～878Pa的部分面積占45.09%，動壓較低的區(qū)域所占面積較?。环桨溉齽訅涸?84.39～798.45Pa之間的區(qū)域占整個出口面積的61.75%，動壓較高部分中心流體約占71.0%；方案四動壓在中間部分高于其他部分，但中間部分與兩側(cè)相比大小相近，且所占出口面積大小相近；方案五動壓從兩側(cè)向中心呈山峰狀上升，612.41～765.52Pa占61.33%，765.52～918.62Pa占16.77%，918.62～1 071.71Pa則占20.45%，可知方案五的中心流體速度、壓力較高。

圖4 入口速度15m/s時不同方案的出口動壓

如圖4所示，同一工況下，方案五中間流體的動壓在5個方案中最高，即在噴嘴出口的射流剛度方面，方案五優(yōu)勢明顯。

3 爐內(nèi)模擬

以所選二次風(fēng)噴嘴所在的鍋爐為模型，爐膛寬14 022mm，深12 339mm，鍋爐高44 000mm，理論切圓直徑6 120mm，一、二次風(fēng)間隔布置。采用gambit分區(qū)劃分網(wǎng)格，靠近燃燒器區(qū)域加密并采用近流線方法劃分，避免網(wǎng)格偽擴散，網(wǎng)格總數(shù)196萬。入口邊界為速度入口，出口邊界為壓力出口，湍流采用RNGk-ε模型，SIMPLE算法。方案一、五的模擬結(jié)果見表2。

表2 模擬結(jié)果

根據(jù)以上模擬結(jié)果，將方案五爐內(nèi)模擬二次風(fēng)噴口設(shè)置為3塊，中間為高速區(qū)，兩側(cè)為低速區(qū)。鍋爐內(nèi)部二次風(fēng)射流剛度較大，主要為煤粉燃燒提供足夠的氧氣，同時構(gòu)成爐內(nèi)動力場。如果二次風(fēng)切圓不夠理想將直接影響鍋爐的燃燒效率，同時切圓偏斜會嚴重威脅運行安全。

從湍流的角度分析，方案一(無導(dǎo)葉)的出口截面湍流強度最小，方案二與方案一大小相近，方案三、四各工況下出口湍流強度比方案一、二高出30%左右，方案五出口湍流強度最大，較方案三高出35%左右，但中間部分射流動壓明顯高于其他區(qū)域，中心區(qū)域流速較快，射流抗干擾能力增強幅度較大，削減了由于湍流增強導(dǎo)致的射流速度的衰減。即方案五(圓弧形導(dǎo)葉)對噴嘴射流剛度提高程度最好。

從爐膛出口截面的速度分布(圖5)可以分析出爐內(nèi)二次風(fēng)切圓狀態(tài)和殘余旋轉(zhuǎn)情況，進而分析出切圓狀態(tài)對爐膛上部和出口區(qū)域速度分布造成的影響。爐內(nèi)切圓不理想會直接導(dǎo)致切殘余旋轉(zhuǎn)過大或局部速度過大，使得部分區(qū)域的管壁超溫，運行時發(fā)生的換熱管失效[9]與該狀況有直接關(guān)系，從圖5中可以看出采用不同的二次風(fēng)噴嘴，爐膛出口速度分布差異較大，添加導(dǎo)葉之后速度分布較為均勻，煙氣偏轉(zhuǎn)明顯有所改善。

圖5 爐膛出口速度分布

4 結(jié)束語

筆者針對8種入口速度下，不同方案(燃燒器噴嘴不添加導(dǎo)葉和添加4種不同形狀導(dǎo)葉)對四角切圓鍋爐爐內(nèi)燃燒情況的影響進行數(shù)值研究，通過對不同工況參數(shù)分布情況的對比分析，從靜壓分布、噴嘴中心部分動壓和出口湍流強度3個方面綜合考慮，可知：添加導(dǎo)葉能夠明顯改變噴嘴出口截面的動壓分布，提高中心區(qū)域的速度；不同方案中，圓弧型導(dǎo)葉綜合效果最優(yōu)；添加導(dǎo)葉能夠明顯提高噴嘴射流剛度，改善爐內(nèi)空氣動力場，減少煙氣偏轉(zhuǎn)。

[1] 郭強，馬萬軍，孫銳.2000t/h四墻切圓鍋爐爐內(nèi)空氣動力場實驗研究[J].電站系統(tǒng)工程，2010，26(5)：4～7.

[2] 陳世和，羅嘉，張曦，等.若干因素對電站鍋爐飛灰含碳量影響的數(shù)值研究[J].鍋爐技術(shù)，2015，46(1)：40～44.

[3] Sha L，Liu H，Xu L F，et al.Research on the Elliptic Aerodynamic Field in a 1000MW Dual Circle Tangential Firing Single Furnace Ultra Supercritical Boiler[J]. Energy，2012，46(1)：364～373.

[4] 蔣曉峰.1000MW雙切圓鍋爐低氮同軸燃燒系統(tǒng)的模擬分析[J].熱能與動力工程，2015，30(1)：58～65.

[5] Qin M，Wu S H，Chen J，et al.An Experimental Comparison of the Airflow Characteristics of Four-Walls Tangential Firing and Four-Corners Tangential Firing[J].Experimental Thermal & Fluid Science，2015，62：21～28.

[6] 趙盼龍，閻維平，董永勝，等.電站鍋爐屏底結(jié)渣的影響因素及預(yù)防措施[J].電站系統(tǒng)工程，2014，30(6)：29～32.

[7] 杜亮坡，郭磊，東志紅，等.有限元網(wǎng)格精度對匯氣管大開孔補強計算的影響[J].化工機械，2013，40(6)：808～810.

[8] 奚瑋君，陸祖祥.喉部取壓噴嘴在核電廠主給水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表，2014，41(7)：780～784.

[9] 王文超，楊菁華.C鍋爐低溫過熱器管開裂分析及對策[J].化工機械，2014，41(3)：388～391.

Low-costOptimizationofSecondary-airNozzlein300MWBoiler

ZHANG Li-dong1, LI Wei-wei2, KUANG Qing-feng2, YU Ting-Li3,ZHOU Yang3, LAI Fu-sheng2
(1.CollegeofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China; 2.HuanengChaohuPowerGeneratingCo.,Ltd.，Chaohu238015,China；3.GuodianShuangyashanPowerGeneratingCo.,Ltd.,Shuangyashan155136,China)

The secondary-air jet means important to the aerodynamic field in the furnace. Optimizing secondary-air nozzle and adding differently-shaped guide vanes and comparing them under different conditions show that the circular arc-shaped guide vane can be selected; and as compared to the furnace inscribed circle, applying arc-shaped guide vane to optimize nozzle exit velocity can improve jet flow’s rigidity and the aerodynamic field in furnace as well as optimize furnace operating state

boiler, nozzle, guide vane, dynamic pressure, inscribed circle

* 吉林省科技發(fā)展計劃項目(20140204049SF)，吉林市科技發(fā)展計劃項目(201414007)。

** 張立棟，男，1980年8月生，副教授。吉林省吉林市，132012。

TQ054+.9

A

0254-6094(2016)02-0235-05

2015-04-13，

2016-03-16)